基于SOPC和TFDR的电缆故障检测仪设计和实现.pdf

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1、重庆大学硕士学位论文基于SOPC和TFDR的电缆故障检测仪设计和实现姓名：柏思忠申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：曾孝平20070420重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要电缆作为一种重要的通信媒介，广泛应用于仪器仪表、电力、通信等重要领域。但是电缆会受到外力的破坏、自然的浸蚀和老化，电缆故障是不可避免的，怎样发现潜在的故障进行及时的维护和如何在故障出现后及时的修复，最大限度的降低因电缆故障造成的损失，这些都迫切要求高性能的电缆故障检测仪。当今的电缆故障检测仪根据测量原理主要有电桥检测仪，时域反射检测仪(T D R)和频域反射检测仪(F D R)。电桥检测仪由于本身的测量原理限制不可能实

2、现高精度；时域反射检测仪精度完全依赖于时基电路和数据采样频率，高精度的实现必须用高昂的成本作为代价，同时T D R 只能检测传输直流和基带信号电缆明显的断线混线故障，无法识别潜在的故障和对高频射频电缆的检测；F D R 主要基于频谱和矢量分析技术，测量精度高，同时算法复杂度高，成本和硬件实现要求都高，不利于携带和普及。因此，具有高精度、小体积和低成本三者协调统一的电缆故障检测仪的设计和实现是一个意义重大的课题。本文的主要工作和结果有：(1)针对市场需求和电缆故障检测仪表行业的发展，研究了当今现有的主流电缆故障检测仪的检测方法和实现方案，分析了电桥测量方法、T D R 和F D R 的优缺点；(

3、2)针对T D R 无法识别潜在的故障和不能准确地对高频射频电缆的检测，以及F D R 算法复杂导致体积和成本不便于控制的不足之处，一方面从测量原理上进行了改进，结合时域反射和频域反射检测的优点，提出了基于时频域联合分析的反射检测方法(T F D R)，时频域联合分析方法选用了具有良好数学特性和易于硬件实现的魏格纳威利变换，另一方面引进新兴的片上可编程系统(s o P c)，软件实现算法，降低成本和减小体积；(3)针对T D R 和F D R 对于反射信号检测可能存在的误判，摒弃了T D R 简单的电压门限判决和F D R 单一的频率判决的方法，在全行业率先采用时频域交叉相关函数检测和判决；(

4、4)将高精度、小体积和低成本三者最大限度的协调统一作为基于S O P C 和T F D R 的电缆故障检测仪方案设计和实现的最终目标，遵循精度优先，兼顾体积和成本的设计原则，采用了T F D R 的测量原理，主要基于高性价比的F P G A 芯片E P 2 C 8 Q 2 0 8 C 8 实现的s o P c 作为设计方案，按照测量仪的企业标准实现了基于s o P c 和T F D R 的电缆故障检钡4 仪；利用基于S O P C 和T F D R 的电缆故障检测仪进行了实验验证和现场测试，结果为：精度全测量范围内0 6,-,0 8 米，体积2 0 0 m i n x l 2 0 m m x

5、6 0 m m，达到便携式的要求，综合成本控制在2 0 0 0 元人民币以内。在成本和体积相当的情况下，比现有的时域反射检测仪精度上提高5 倍，故障距离从时域反射检测仪的3 米重庆大学硕士学位论文中文摘要或者测量范围的2 e 提高到全测量范围内0 6,-4)8 米；在测量精度大致相当的条件下，综合成本比频域反射检测仪和高性能的时域反射检测仪降低到五分之一。实现了高性能、低成本和微型化最大限度的协调统一，达到了设计要求。关键词：片上可编程系统，时频分析，魏格纳威利变换，电缆故障检测仪H重庆大学硕士学位论文英文摘要A B S T R A C TC a b l ea sac o m m u n i

6、c a t i o nm e d i ai sw i d e l ya p p l i e di n t om a n yi m p o r t a n td o m a i ns u c ha si n s t r u m e n t、e l e c t r i cp o w e r、c o m m u n i c a t i o na n dS Oo n T h e r ei ss o m e t h i n gw r o n gw i t hc a b l eo nt h ec o n d i t i o no fd e s t r o y i n g、s u b m e r g i n

7、 ga n da g i n g，w h i c hi si n e v i t a b l e S Ot h a t，i ti su r g e n tf o rg o o dp e r f o r m a n c ed e t e c t o ro f t h ed e f e c t i v ec a b l et od e c r e a s et h el o s s，h o wt od e t e c tt h ep o t e n t i a lf a u l t sa n dh o wt or e s u m et h ed e f e c t i v ec a b l e s

8、w i t ht h ei m p l e m e n t s T h e r ea r em a i n l ye l e c t r i c b r i d g ed e t e c t o r s、t i m e-d o m a i nr e f l e c t o r s(T D R)a n df r e q u e n c y-d o m a i nr e f l e c t o r s(F D R)o nt h eb a s i so fd e t e c t i n gp r i n c i p i u m E l e c t r i c-b r i d g ed e t e c

9、 t o r sa r el i m i t e dt or e a l i z eh i g hp r e c i s i o nb yt h e i rd e t e c t i n gp r i n c i p i u m；T D R Sp r e c i s i o ni se n t i r e l yr e l i e do nt i m e-b a s ec i r c u i t sa n ds a m p l i n gf r e q u e n c y,h i 曲p r e c i s i o nm e a n se x p e n s i v ec o s t，o nt

10、h es a m et i m e，T D Rc a n td e t e c tp o t e n t i a ld e f a u l t so rd e t e c tt h ec a b l et r a n s p o r t i n gh i g hf r e q u e n c ya n dR Fs i g n a l s，o n l ym i g h td e t e c tt h ec a b l e st r a n s p o r t i n gD Ca n db a s e b a n ds i g n a l s；F D R sp r i n c i p i u mi

11、 sm a i n l yb a s e do nf r e q u e n c ys p e c t r u ma n dv e c t o ra n a l y s i s H i g hp r e c i s i o nm a t e r i a l i z e si t sa d v a n t a g e，o t h e r w i s ec u b a g ea n dc o s ta r e n te a s yt ob ec o n t r o l l e db e c a u s eo fc o m p l e xa r i t h m e t i c，w h i c hi

12、sl i m i t e di np o r t a b l ea p p l i a n c ea n dw i d ep o p u l a r i z a t i o n I naw o r d，i ti sai m p o r t a n tt a s kt os t u d ya n dr e a l i z ed e t e c t o ro ft h ed e f e c t i v ec a b l ec h a r a c t e ro nc o n s o l i d a t i n gh i g hp r e c i s i o n、s m a l lc u b a g

13、ea n dl o wl o s t W h a tt h ep a p e rh a sm o s t l yd o n ei n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gf a c t s：(1)H a v i n gS t u d i e dt h ee x i s t i n gd e t e c t o r so fd e f e c t i v ec a b l e，t h e n，e v a l u a t i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ee l e

14、 c t r i c-b r i d g ed e t e c t o r s、T D Ra n dF D R；(2)O nt h eo n eh a n dp u t t i n gf o r w a r dt h et i m e-f r e q u e n c y-d o m a i nr e f l e c t o r(T F D R)，i tc o m b i n eT D Rp r i n c i p i u mw i t hF D Rp r i n c i p i u mt oo v e r c o m et h a tT D Rc a l l td e t e c tp o t

15、 e n t i a ld e f a u l t so rd e t e c tt h ec a b l et r a n s p o r t i n gh i g hf r e q u e n c ya n dR Fs i g n a l sa n dt h a tF D R Sc u b a g ea n dc o s ta r e u te a s yt ob ec o n t r o l l e db e c a u s eo f c o m p l e xa r i t h m e t i c；o nt h eo t h e rh a n di m p o r t i n gs y

16、 s t e mo fap r o g r a m m a b l ec h i p(S O P C)t od e s i g n i n gt h ed e t e c t o r r e a l i z i n ga r i t h m e t i co ns o f t w a r e，d e c r e a s i n ge x p e n s ea n ds h r i n k i n gc u b a g e；(3)F i r s t l ya d o p t i n gt h ec o r r e l a t i o nc h e c ka n dj u d g ew i t h

17、t h et i m e-f r e q u e n c y-t i m ec r o s s i n gf u n c t i o n，w h i c ho v e r c o m e st h ep o s s i b l ei n c o r r e c tj u d g er e g i o nf r o mT D R Sv o l t a g ej u d g ea n dF D R Sf r e q u e n c yj u d g e；(4)H a v i n gr e a l i z e dd e t e c t o ro ft h ed e f e c t i v ec a

18、b l eb a s e do nS O P Ca n dT F D Ro nt h ec o n d i t i o no fH I重庆大学硕士学位论文英文摘要e n t e r p r i s es t a n d a r d D u r i n gt h eC O U l-$eo fd e s i g n i n g,t h et o p m o s to b j e c tf u r t h e s tc o n s o l i d a t e sh i g hp r e c i s i o n、s m a l la l b a g ea n d l o wl o s ta n dt

19、h ep r i n c i p l ei sp r e c i s i o nf i r s t l y,t h e nc u b a g ea n dc o s t。E x p e r i m e n t i n gt ov a l i d a t et h ed e t e c t o r sp e r f o r m a n c e s。c h a r a c t e r sO nt h ef o l l o w i n g：g a i n i n gt h ep r e c i s i o na b o u tO 每田8m e t e ro nt h ef u l ls c o p

20、e r e a l i z i n gt h ep o r t a b l ei n s t r u m e n to nt h eb a s i so f s m a l lc u b a g e,2 0 0 m i n x l 2 0 m m x 6 0 m m，d e c r e a s i n gt h ec o s t，2 x)将会导致展开系数口。数值上的不稳定。临界采样G a b o r 展开约束性强，自由度比较差，但是可以使展开系数口。唯一，且稳定。过采样G a b o r 展开系数也是唯一的，但是会产生一定的冗余。在实际应用当中，离散G a b o r 展开一般都是需要过采样的

21、。为了使G a b o r 基函数具有更好的时间频率局域性能，G a b o r 选择了高斯函数。对于G a b o r 基函数g。(f)的选择，只要时频采样网格足够多，即处于z n 0(3 2 3)其中矿是小波基函数矿的共轭。鉴于烈f)本身的波形就是小波，它生成的函数族纯j(f)的波形也属小波，所以常将烈f)称为基小波或母小波，而将纯J(f)统称为小波。常用的母小波有H a a r 母，J,波，它是以H a a r 函数矿日(f)作为基函数的n a a r 母，J,波。高斯母小波，它是由高斯函数9(f)=F。2 给定的。墨西哥草帽母小波，是由高斯母小波函数的二阶导数，即烈f)=亍_(1 一t

22、 z 一”以上三种母小波都是实值小q 3 _ 耳波，M o r l e t 母，b 波是最常用的复值母小波，定义为伊(f)=；=o 一脚一F 埘”弦一“。V 石值得注意的是上述四种母小波中，高斯母小波是不满足容许条件的。将小波变换和短时傅立叶变换两者的基函数相比较，可以看出，小波变换基函数的尺度参数决定了小波变换的多分辨分析特性，即利用时间尺度联合函数来分重庆大学硕士学位论文3 基于时频域反射的电缆故障检测新方法析非平稳信号的变焦距法，l：上_ 达到分析信号局部特性的目的。以上是线性时频的几种表示，它们采用基于被分析信号和具有时频局部特性的基本分析或综合函数之间的内积或扩展方法而实现的。魏格纳

23、威利变换0 7 l，V D)和C o h e n 类则是采用对信号的双线性乘积进行核函数加权平均的方法来实现的非线性时频表示，它们表示的是信号的能量密度分布。W V D 是一种二次型变换，具有许多优良的性质，但当分析多频率成分的信号时，由于是二次型变换，不可避免地出现交叉项干扰，这是它的缺点，围绕这个问题，许多学者提出了改进形式，以及新的时频分布。后来，L C o h c n 将这些时频分布统一为双线性时频分布理论，给出了一个统一的数学公式，通过选取不同的核函数，可以得到不同的时频分布，其中W V D 是最简单的形式。确定性时间连续信号的W V D 定义为；W V D o(t，Q)=，(f 一

24、 f)“f+i J-严-j“一f(3 2 4)即，把过去某一时间信号乘上未来某一时间信号，再对两个时间差诛傅立叶变换。W V D 分布有一系列良好的性质，这是它得到广泛应用的主要原因，W V D 是关于t 和Q 的实函数，即w w (t，c J)=W V D,(t，Q)，对称性，即W V D,(t,-D)=p E(f，Q)，边缘积分特性，即在固定时刻t，W V D 沿全频率轴的积分等于在t 时刻信号的瞬时功率，在固定频率Q，W V D 沿全时间轴的积分等于该频率的能量密度只(Q)，W V D 分布在整个(f，Q)的双重积分等于信号的总能量1E，即E=圭j W V D,(t，Q)砒配。二石苟W

25、V D 本质上是一种双线性变换，它满足二次叠加原理，即令信号s O)=船l(f)+b s 2(f)(3 2 5)则W V D Z 次型分布有以下关系：W V D(t，Q)=W V D (t，Q)+朋刁(f，f 1)+a b 朋叼J 2(f，f 1)+a b W V D I l O，Q)6 2 6)其中，等式右边的前两项是信号两个分量的自w v D 的信号项，而后面两项则是信号两个分量的互W V D，即交叉项，由此可见，信号中包括的分量成分越多，那交叉项也越多。不难推出，含有n 个分量的信号，交叉项有塑二些个。对于信号2项而言，它只出现在其有限时频支撑区，而交叉项则出现在各个有限时频支撑区之间，

26、且交叉项的总能量为零，即说明信号的所有能量依然是在信号项里面，因此交叉项的出现极大的干扰了时频分布。这个缺点也抑制了二次型时频分布的推广。近几十年来，人们围绕这它的缺点进行了广泛的研究，提出了许多解决方法，设计出许多新型的二次时频分布，如伪W i g n c r-V i l l c Z y)-布(P W D)，平滑W i g n e r-V i l l e3 1重庆大学硕士学位论文3 基于时频域反射的电缆故障检测新方法分布(S W D)，平滑伪W i g n e r-V i l l e 分布(s P w t)修正平滑伪W i g n e r-V i l l e 分布(M S P W D)等等。

27、6 0 年代中期，C o h e n 发现众多的时频分布只是W i g n e r-V i l l e 分布的变形，它们可以用统一的形式来表示，只要选择合适的积分变化核的函数及其对这个核的约束条件就可以了。它包括了几十种不同的二次时频分布，人们把C o h e n 公式所表示的时频分布统称为C o h c n 类时频分布。C o h e n 类时频分布中的任何一种时频分布都可以f l j W i g n e r-V i l l e 分布，经过一个移不变的核函数作二维平滑得到。3)本设计选用魏格纳威利变换的原因短时傅立叶变换(s T F T)虽然有着分辨率不高等明显故障，但由于其算法简单，实现容

28、易，所以在很长一段时间里成为非平稳信号分析标准和有力的工具，它已经在语音信号分析和处理中得到了广泛的应用。G a b o r 展开的思想在很大程度上开创了时频分析的先河，近年来许多学者在G a b o r 展开的离散化和有限化方面作了大量的研究工作，其中包括运用解析方法来进行临界采样G a b o r 展开，运用框架理论来进行过采样O a b o r 展开等等，现在G a b o r展开已经在暂态信号检测，时变滤波，图像信号处理等领域取得了成功的应用。小波变换，由于其本身分辨力的优良性能，因此一经提出，很快就成了非平稳信号分析和处理的一大热点，经过近2 0 年的发展，小波变换取得了突破性的发展

29、，形成了多分辨分析，框架和滤波器组三大完整丰富的小波变换理论体系。现在小波变换已经被广泛地应用在信号的奇异性检测、计算机视觉、图像处理、语音分析与合成等等诸多领域、在分形和混沌理论中也有了很多的应用。魏格纳威利变换O V V D)，虽然由于其对多分量信号产生无法解释的难以抑制的所谓“交叉项干扰”，在某些领域限制了它的发展；但是由于其本身满足大部分所期望的数学性质：实值性，对称性，边缘积分特性，能量守恒，时频移位等特性，所以它确实反映了非平稳信号的时变频谱特性，并且能作相关化解释，从而成为非平稳信号分析处理的一个有力的工具。在此设计中，正是主要应用时频移位特性作相关化分析，所以选择了魏格纳威利变

30、换。4)时频域联合分析的原理W s(f，国)表示输入信号的魏格纳分布如下：眠以国)=e-a(“r 扣，(+h r 7 4(3 2 7)一万形(f，由)表示反射信号的魏格纳分布，变换原理同入射信号。在对入射信号和反射信号的魏格纳分布进行评估之后，得到用于检测及定位的时一频域交叉关联函数如下：1，“毋G(f)_ 南，I I J 形似回形(t -t#a)d a。t。n 2 8)重庆大学硕士学位论文3 基于时频域反射的电缆故障检测新方法其中：E o=I I 形(f，o J)d a x i t(3 2 9)，-忸冒，【力=II 形O。，国V m d t。(3 3 0)，-嚣上面提供的时频交叉关联函数测量

31、参考信号与反射信号间的时频分布的随时间变化的相似性。因此，该反射信号的存在将被1 和l 之间一个数值检测到。一条导线电缆上的一个故障可根据这种反射信号的存在而被确认。3 3 3 利用T F D R 法进行电缆故障检测基于第二章第二节描述的电缆故障检测仪模型，结合T D R、F D R 和T F D R 三种进行电缆故障检测的步骤，可以比较它们的测量原理和分析方法的差异。所有仪表的自动测量都是在手动测量的基础上，由软件根据实验中手动测量的结果设置好相应的测量参数设置，对全范围测量自动扫描实现，因此，只需分析三种方法的手动测量步骤即可。测量双绞线电缆时。三种方法的手动检测步骤如下：1)T D R

32、法测量，整个测量过程和故障分析都在时域内完成。a 设置测量脉冲的宽度和幅度，同时设置电缆型号对应的电磁波传播速度；b 发射单个直流电压脉冲信号进入待测电缆；c 检测反射信号，反射信号到来利用定时器记录时间差，或者根据监测的波形获取反射信号和入射信号的时间差；d 根据时间差和传播速度计算故障距离，根据反射波形和入射波形的相位判定故障类型，同相为断线，反相为混线。2)F D R 法测量，整个测量过程和主要分析都在频域内完成，最后在时域完成故障判定。a 每项工程中的应用电缆在竣工验收时，用F D R 测量故障距离特征(D T F)图作为D T F 基准图；b 设置发射信号的频率和幅度，同时设置电缆型

33、号对应的电磁波传播速度；c 发射扫频信号进入待测电缆；d 利用频谱分析仪分析频谱和回波损耗检测反射信号；e 根据回波损耗和频谱分析结果，利用傅立叶反变换，在故障距离特征图上与工程验收的D T F 基准图对比，得到故障距离和类型。3)T F D R 法测量，测量过程和故障分析在时域和频域内都进行。a 根据待测电缆特性，由传输带宽给出高斯时间包络的高斯常量和计算出频率的线性增长度；b 设置发射信号的高斯常量和线性增长度，根据待测电缆的大概长度设置发射信号的幅度，同时设置电缆型号对应的电磁波传播速度；重庆大学硕士学位论文3 基于时频域反射的电缆故障检测新方法c 发射时限带限信号进入待测电缆；d 利用

34、时频域交叉函数作相关检测，检测反射信号是否存在；e 一方面根据反射信号和入射信号的时间中心偏移量计算故障距离的粗测值，再根据反射信号和入射信号的频率中心偏移量计算故障距离的矫正值，得到故障距离；另一方面根据相关检测的值判定故障类型。同轴电缆的故障检测步骤：同双绞线电缆的故障检测一样，在这里不再赘述。通过以上步骤，可以分析得出T D R 的测量完全在时域进行，它的精度完全基于反射信号的时间定位以及反射信号和入射信号时间差的测量，这两者分别依赖于反射信号的采样频率和时基电路的精度，所以提高T D R 测量的精度就必须提高时基电路的精度和提高反射信号的采样频率；F D R 反射信号的检测依赖于频谱分

35、析仪，故障距离和类型依赖于D T F 图分析，其精度只与电缆的电磁波传播速度有关，所以它可以做到高精度，但同时D T F 图分析需要矢量分析仪和检测需要频谱分析仪这两者大大影响了体积和成本的控制；T F D R 分析在时域和频域同时进行，精度建立在时间中心和频率中心的偏移量之上，一方面可以比T D R 单纯依靠反射信号的时间定位要求和入射信号和反射信号的时刻差的记录更容易实现高精度，另一方面反射信号检测采用相关检测，频域分析只需要频率中心值，同比F D R 可以省去频谱分析仪和矢量分析仪，很好的控制体积和成本。3 4 验证实验3 4 1 实验结果与分析为了验证T F D R 法电缆故障检测仪的

36、可实现性和比T D R 法有更高的精度，做了如下实验：实验对象：一条型号为H Y A(1 0 x 2 x 0 4)的电缆，即市话合塑电缆，总长度为1 1 6 米，在5 8 米处有一个断线故障，该型号电缆波速度为1 9 9 m u s。传输带宽为2 0 M H z l o o M H z。实验条件：使用T D R 法的电缆故障检测仪东电通信技术有限公司的D C 3 8 0 测量3 次，使用基于T F D R 法的入射信号具有高斯时间包络的时限带限信号，反射信号检测和分析借助频谱分析仪和示波器实现。使用D C 3 8 0 测量，测量步骤和结果如下：1)设置波速度为1 9 9m u s，测量范围手动

37、设置为2 0 0 米，发射增益为2 0(对应发射波形幅度为1 0 伏)；2)按测试键进行测量，测量结果如下：重庆大学硕士学位论文3 基于时频域反射的电缆故障检测新方法表格3 1 实验测得数据T a b3 1E x p e r i m e n t a lD a t a故障距离故障类型第一次5 8 米断线第二次5 7 米断线第二次5 9 米断线稳定度士l 米可靠基于T F D R 法测量，测量步骤和结果如下：1)设计入射信号的参数，高斯常量、信号幅度和频率线性增长度，提供适合的输入参考信号：时限带限信号的高斯常量：3 0 n s；时限带限信号的幅度：I O V：频率带宽：8 0 M H z(2 0

38、 M H z 一1 0 0 M H z)；频率线性增长度：口一IOOMHz-20MHz2 6 7 x 1 0 坫，s z2)确定示波器和频谱分析仪的测试点，图3 9 显示了被测电缆测试模型和给出了两个测试节点。图3 9 被测电缆示意图F i g3 9S k e t c ho f D e t e c t e dC a b l e3)开始测试，发射信号进待测电缆，在测试点处用示波器测得波形如下：重庆大学硕士学位论文3 基于时频域反射的电缆故障检测新方法l摹一-1J l j 乒簟桂|J 地量l2l善。一i-2lir T ij。l!l；l01 0 02 0 0 瑚4 0 05 0 06 0 07 0

39、0 湖9 0 0 悯州釉图3 1 0 发射、反射和传播波形F i g 3 1 0W a v e f o r mo f l n c i d e n t i o n、R e f l e c t i o na n dT r a n s m i t i o n由于传播波形幅度较小采取幅度放大5 倍，图3 1 1 为方便比较各个波形将反射和传播波形都时移到发射波形中心处。图3 1 1 发射、反射和传播时域频域波形F i g 3 1 1T u n e-d o m a i na n dF r e q u e n c y-d o m a i nW a v e f o r mo f I n c i d e n

40、t i o n、R e f l e c t i o na n dT r a n s m i t i o n4)在测试点处，频谱分析仪显示如下：图3 1 2 给出了各个波形的振幅和相位，显示了本实验中被测试导线电缆的物理特性。重庆大学硕士学位论文3 基于时频域反射的电缆故障检测新方法秘图3 1 2 发射、反射和传播振幅相位波形F i g3 1 2A m p l i t u d e a n d P h a s e o f I n c i d c n f i o n、R e f l e c t i o n a n d T r a n s m i t i o n由此实验结果可以得到反射信号单独的定位，

41、由每个信号的时一频域分布，可以得到每个信号在时间轴上的一个时间中心t s、在频率轴上的一个频率中心白、该信号的一个时间长度T s 及一个频率带宽B s。得到表3 2 中数据的处理过程可总结如下：a 图3 1 1 中所示的入射信号及反射信号的时间序列可用示波器得到。b 反射信号的存在由用于在时域内定位的时一频交叉关联函数确定。c 每个信号可通过用时一频关联函数测量入射信号与反射信号之间的相似性，并利用一个门槛值将其分类来进行定位。ii；：!li?抻崎一，一中一一p；li!毒毒”r I _“：卜删蝌!l。Li l t。工一i1 00 8O，6o J 2O#：，：；一0，”l“，-4 w。l j 一

42、S，一卡卜一llIlI：；l；i1”。“r。r”t：I：l：；!i；l：j；一+，一 一一 r rf-”+。r 4。“u!-l J-J 且j 山-山，J i-_；t-k k 崤一峥I 赫舡锄图3 1 3 入射、反射和传播波形系数分布F i g3 1 3C o e f f i e i t sD i s t r i b u t i n go f I n c i d c n t i o n、R e f l e c t i o na n dT r a n s m i f i o n重庆大学硕士学位论文3 基于时频域反射的电缆故障检测新方法d 然后，每个被定位的信号被通过魏格纳分布在一个时一频域内进行表

43、达，并投影在时一频轴上，以得到图3 1 3 中所示结果。e 表3 2 中由一个结果得到的数值将被用于时间偏移评估，此时间偏移将由频率偏移转换得到。通过实验得到的实验结果数据总结如表5 2。表格3 2 实验测得数据T a b32E x p e r i m e n t a lD a t a发射信号反射信号传播信号时间中心(t s，n s)5 0 46 0 8 96 1 0 5持续时间(T s，m 12 0 21 8 32 1 1频率中心(F s，M H z)6 0 15 3 65 7 5频率带宽(B s，M n z)8 0 68 0 38 0 55)故障距离和故障类型判定：因为该被测试导线电缆相对

44、介电常数为E=2 1。所以输入信号在媒介中的传播速度为：，：呈：一3 x 1 0 s；2 0 7 1 0|(埘s)(3 3 1)4 2 1由输入信号在时间轴上的时间中心(t s=5 0 4 n s)及反射信号在时间轴上的时间中心(仃=6 0 8 9 n s)，可以得到一个时间差A t=6 0 8 9 5 0 4=5 5 8 5 n s。一个故障的位置可以直接由上述得到，如下：d：型：2 0 7 x 1 0 s _ x558一5x1 0 4=5 7 8 伽)(3 3 2)22通过对由一个媒介造成的失真进行补偿而定位一个故障的方法如下；6。是公式(4 1 2)中的8。=S f 夕。因为艿f 表示一

45、个输入信号及一个反射信号的频率中心之间的差异，万f=6 0 1 5 3 6=7 5(M H z)。因为被设为2 6 7 x 1 0”s 2，在输入信号被构造后，可以得到厅：要：黑：2 8 0 9 1 0 8 0 9 相(3 3 3)舡言2 丽丽矿“。(5)(3 3 3)因此，由公式O 1 3)可以得到一个结果：=A t+贾=5 5 8 5+2 8 0 9=5 6 1 3 0 9(n s)(3 3 4)由公式(3 1 5)，可以得到该故障的一个定位如下：孚：2 0 7 x l 0 s x 了5 6 1 一3 0 9 x 1 0-9：5 8 0 9(肼)(3 3 5)其余两次测量结果为5 8 0

46、1 米和5 7 9 6 米。反射信号的信息由实验得到，可以同样方法得到该被测导线电缆总长度的信息。输入信号与被传递的信号之间的A t 可从表5 1 中得到，如下缸=6 1 0 5 5 0 4=5 6 0 1(n s)。类似地，输入信号与被传递信重庆大学硕士学位论文3 基于时频域反射的电缆故障检测新方法号之间的万t 可由8 t=8 f 得到。因为输入信号与被传递信号之间的万f 为：艿f-6 0 1 5 7 5=2 6(M H z)，可以得到盘：誓：黑_ 0 9 7 3 8 1 0。o)(3 3 6)口2 6 7 1 0”。因此，d l=v。=2 0 7 x 1 0。X(5 6 0 1+0 9 7

47、 3 8)l 旷=1 1 6 1 4(m)(3 3 7)其余两次测量结果为1 1 6 2 1 米和1 1 5 9 6 米。作为电缆总长的结果，并且确保得到误差小于0 6 o 8 米的距离定位。3 4 2 验证总结在测量过程中，采用示波器和频谱分析仪直接观测波形并记录，进行计算分析，得到测量结果，以此来验证T F D R 新方法原理的正确性，结果证明：T F D R 新方法确实结合了T D R 和F D R 两者的优点，借助时频域分析技术提高了T D R 的精度，同时在精度相当的条件下，可以只用计算时间中心和频域中心的统计值，较大的减少了算法的复杂度。3 5 小结本章研究当今现有的主流电缆故障检

48、测仪的检测方法和实现方案，分析了电桥测量方法、时域反射检测方法(T D R)和频域反射测量方法(F D R)的优缺点；在T D R 和F D R 基础上，提出了一种结合两种方法优点的基于时频域联合分析的电缆故障检测新方法，并给出了详尽的原理分析；最后用实验进行了验证，证实了T F D R 法较好的结合了T D R 和F D R 的优点，为可能设计出更优性能的电缆故障检测仪提供了理论基础。重庆大学硕士学位论文4基于T F D R 法的电缆故障检测仪的设计4 基于T F D R 法的电缆故障检测仪的设计本设计基于重庆东电通信技术有限公司测试仪表的企业标准，该标准的制定依据为如下国家标准的文件：G

49、B T2 4 2 1 1 9 9 9电工电子产品环境试验第1 部分：总则G B T 2 4 2 3 1 2 0 0 1 电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验A：低温G B 厂r2 4 2 3 2 2 0 0 lB：高温G B 厂r2 4 2 3 3 1 9 9 3验方法电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验电工电子产品基本试验环境规程试验C a：恒定湿热试G B T2 4 2 3 1 0 1 9 9 5 电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验F e r n 导则：振动(正弦)G B9 9 6 9 1 1 9 9 8工业产品使用说明书总则G B T1 5 4 6 4 1 9

50、9 5仪器仪表包装通用技术条件根据该标准，制定了基于T F D R 的电缆故障检测仪的设计方案的各项指标。4 1 设计要求4 1 1 功能指标距离范围(最大量程)：当0 9 9 V o p 时为1 9 2 1 a n,当O 3 0 V o p 时为1 0 5 k i n：距离精度：全范围0 6-,0 8 米；波速设置：从0 3 V o p 0 9 9 V o p 递增步长为0 0 1 V o p：波形存贮：最多可存1 0 0 个历史波形；界面显示：清晰明了，提示详尽；自动测量：一键式操作；4 1 2 外观指标长度：_ 1 8 0 m m：宽度：_ 8 0 r a m：高度：5 0 m m：重量